(57)【要約】【課題】  地磁気を検知する３軸のセンサを有し、複雑な運動を行うときでも各時刻で角速度などを正確に演算できる地磁気検知装置を提供する。【解決手段】  地磁気ベクトルを検知するＸ軸センサとＹ軸センサおよびＺ軸センサが設けられ、各センサの検知出力から地磁気ベクトルの向きが球面座標Ｂｂ上で求められる。球面座標Ｂｂにおいて基準軸ｚ０を決め、２つの座標検出点のデータＳａ，Ｓｃに応じて基準軸ｚ０上に仮定中心点Ｏｆを求めて、仮定中心点Ｏｆから各データＳａ，ＳｂまでのベクトルＶａとＶｃの外積からベクトルＶａ，Ｖｃを含む面の垂線Ｖｇを求め、垂線Ｖｇと平行で且つ原点Ｏｇを通過する軸を算出回転軸Ｉａとし、この算出回転軸Ｉａを中心とする運動を特定する。【選択図】図７
2011037118.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気検知部と演算部とを有し、前記磁気検知部に、互いに直交するＸ軸とＹ軸およびＺ軸に向くＸ軸センサとＹ軸センサおよびＺ軸センサが設けられ、前記磁気検知部が、前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサの直交関係を維持しながら三次元方向へ回動自在である地磁気検知装置において、
前記演算部では、Ｘ−Ｙ−Ｚの三次元座標内に位置する基準軸を決定するとともに、前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサの検知出力に基づいて、前記三次元座標上で地磁気ベクトルの座標検出点を演算し、
前記磁気検知部が回転したときに、少なくとも２個の前記座標検出点を前記基準軸に投影した２つの点の一方または２つの点の間の任意の点を基準軸上の仮定中心点として、２個の前記座標検出点と前記仮定中心点とを含む面に直交する軸と前記座標検出点とから算出回転軸を求め、前記算出回転軸回りの円運動を特定することを特徴とする地磁気検知装置。
【請求項２】
２つの前記座標検出点の前記算出回転軸に対する開き角度と、２つの前記座標検出点を得た時間とから角速度が演算される請求項１記載の地磁気検知装置。
【請求項３】
前記基準軸に投影した２つの点の中点を前記仮定中心点とする請求項１または２記載の地磁気検知装置。
【請求項４】
前記仮定中心点から少なくとも２つの前記座標検出点に延びるベクトルの外積を演算して前記面の法線を求め、前記法線に平行で且つ前記三次元座標の原点を通る軸を前記算出回転軸とする請求項１ないし３のいずれかに記載の地磁気検知装置。
【請求項５】
磁気検知部と演算部とを有し、前記磁気検知部に、互いに直交するＸ軸とＹ軸およびＺ軸に向くＸ軸センサとＹ軸センサおよびＺ軸センサが設けられ、前記磁気検知部が、前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサの直交関係を維持しながら三次元方向へ回動自在である地磁気検知装置において、
前記演算部では、Ｘ−Ｙ−Ｚの三次元座標内に位置する基準軸を決定するとともに、前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサの検知出力に基づいて、前記三次元座標上で地磁気ベクトルの座標検出点を演算し、
前記磁気検知部が回転したときに、少なくとも３個の前記座標検出点を含む仮定平面を求めて、前記仮定平面と前記基準軸との交点を仮定中心点とし、少なくとも２個の前記座標検出点と前記仮定中心点とから前記仮定平面の法線を演算し、前記法線と前記座標検出点とから算出回転軸を求め、前記算出回転軸回りの円運動を特定することを特徴とする地磁気検知装置。
【請求項６】
前記仮定中心点から少なくとも２つの前記座標検出点に延びるベクトルの外積を演算して前記仮定平面の法線を求める請求項５記載の地磁気検知装置。
【請求項７】
前記法線と平行で且つ前記三次元座標の原点を通る軸を前記算出回転軸とする請求項５または６記載の地磁気検知装置。
【請求項８】
２つの前記座標検出点の前記算出回転軸に対する開き角度と、２つの前記座標位置を得た時間とから角速度が演算される請求項５ないし７のいずれかに記載の地磁気検知装置。
【請求項９】
複数の前記座標検出点のデータを順番に保持する記憶部が設けられており、最新に保持されたデータから所定時間さかのぼった時点のデータを基準データとし、前記基準データよりも後の時刻に得られたデータから前記算出回転軸を求め、前記基準データおよびその前のデータあるいは後のデータまたは前後のデータから角速度が演算される請求項８記載の地磁気検知装置。
【請求項１０】
三次元方向の加速度を検知する加速度センサが設けられ、前記磁気検知部が一定時間停止したときに前記加速度センサで重力の加速度の向きが検知され、その向きを基準として前記基準軸が決められる請求項１ないし９のいずれかに記載の地磁気検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直交する３方向のそれぞれに向けられたセンサで地磁気を検知する地磁気検知装置に係り、特にセンサを搭載した磁気検知部が三次元空間内で回動したときの角速度などを正確に演算できる地磁気検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
互いに直交する３方向の磁界強度を検知する３軸の磁気センサを使用して地磁気を検知する地磁気検知装置は、回転検出装置や姿勢検知装置などとして使用されている。【０００３】
特許文献１に記載された磁気式ジャイロは、３軸直交座標上に配置された地磁気を検知する３軸磁気センサを有している。この磁気式ジャイロは、三次元空間内で回転させたときに、３軸の出力データを用いて異なる２時点間の差分ベクトルを求め、その差分ベクトルが予め決められたしきい値よりも小さくなるか否かを判定して、３軸のうちのどの軸を中心として回転しているのかを特定するというものである。【０００４】
特許文献１に記載された磁気式ジャイロは、磁気センサの向きで決められた３軸のいずれの軸を中心として回転したときに、回転状態を検知することができるが、前記３軸以外の軸を中心として回転させたときには回転軸を認識できなくなり、どの回転平面内で回転しているのかを特定できなくなる。つまり、特許文献１に記載された１個の磁気式ジャイロだけで、三次元空間内の任意の軸を中心として回転させたときの角速度を検知するのは難しい。【０００５】
特許文献２に記載された磁気式ジャイロは、３軸磁気センサによって時系列に検出される磁気ベクトルのデータを蓄積するメモリが設けられ、メモリに蓄積された異なる３時点以上の磁気ベクトルとのデータを基に、回転軸を算出するとともに、算出された回転軸を中心とした回転速度を算出するというものである。【０００６】
しかし、特許文献２に記載された磁気式ジャイロは、３時点以上の磁気ベクトルのデータが、空間上の基準が無い状態で得られるため、データにオフセット成分が重畳されていたり、またはノイズが重畳されると、個々のデータのばらつきを補正できなくなり、正確な回転軸を特定するのが難しくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２２４６４２号公報
【特許文献２】再公表特許ＷＯ２００７／０９９５９９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、直交する３軸の方向に向くセンサで地磁気を検知するものであり、演算の基準を設けることで、回転軸を正確に特定でき、前記回転軸を中心とする回転運動を精度よく特定できる地磁気検知装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の本発明は、地磁気検知部と演算部とを有し、前記磁気検知部に、互いに直交するＸ軸とＹ軸およびＺ軸に向くＸ軸センサとＹ軸センサおよびＺ軸センサが設けられ、前記磁気検知部が、前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサの直交関係を維持しながら三次元方向へ回動自在である地磁気検知装置において、
前記演算部では、Ｘ−Ｙ−Ｚの三次元座標内に位置する基準軸を決定するとともに、前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサの検知出力に基づいて、前記三次元座標上で地磁気ベクトルの座標検出点を演算し、
前記磁気検知部が回転したときに、少なくとも２個の前記座標検出点を前記基準軸に投影した２つの点の一方または２つの点の間の任意の点を基準軸上の仮定中心点として、２個の前記座標検出点と前記仮定中心点とを含む面に直交する軸と前記座標検出点とから算出回転軸を求め、前記算出回転軸回りの円運動を特定することを特徴とするものである。【００１０】
本発明の地磁気検知装置は、予め基準軸を定め、この基準軸と少なくとも２個の座標検出点とから面を特定して算出回転軸を求めているために、例えば実際の回転軸の向きが徐々に変化しているような場合であっても、それぞれの時刻での回転軸を比較的正確に特定でき、実際とは極端に異なる回転軸が算出されるなどの不都合を防止できるようになる。【００１１】
本発明は、２つの前記座標検出点の前記算出回転軸に対する開き角度と、２つの前記座標検出点を得た時間とから角速度が演算されるものである。【００１２】
本発明は、少なくとも２個の座標検出点から回転軸を特定して、磁気検出部の回転状態を検出することができる。このデータを使用して角速度を算出できる。もちろん、回転角を算出してもよいし、角加速度を算出してもよい。【００１３】
本発明は、前記基準軸に投影した２つの点の中点を前記仮定中心点とすることが好ましい。【００１４】
仮定中心点は、２つの座標検出点に基づいて基準軸上に設定されるが、前記のように基準軸上の２つの投影点の中点を仮定中心点とすることで実際の回転面に近似した面を特定できるようになる。【００１５】
本発明は、前記仮定中心点から少なくとも２つの前記座標検出点に延びるベクトルの外積を演算して前記面の法線を求め、前記法線に平行で且つ前記三次元座標の原点を通る軸を前記算出回転軸とすることが好ましい。
ただし、最小二乗法やその他の幾何学的な計算によって面や法線を求めてもよい。【００１６】
第２の本発明は、磁気検知部と演算部とを有し、前記磁気検知部に、互いに直交するＸ軸とＹ軸およびＺ軸に向くＸ軸センサとＹ軸センサおよびＺ軸センサが設けられ、前記磁気検知部が、前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサの直交関係を維持しながら三次元方向へ回動自在である地磁気検知装置において、
前記演算部では、Ｘ−Ｙ−Ｚの三次元座標内に位置する基準軸を決定するとともに、前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサの検知出力に基づいて、前記三次元座標上で地磁気ベクトルの座標検出点を演算し、
前記磁気検知部が回転したときに、少なくとも３個の前記座標検出点を含む仮定平面を求めて、前記仮定平面と前記基準軸との交点を仮定中心点とし、少なくとも２個の前記座標検出点と前記仮定中心点とから前記仮定平面の法線を演算し、前記法線と前記座標検出点とから算出回転軸を求め、前記算出回転軸回りの円運動を特定することを特徴とするものである。【００１７】
本発明の地磁気検知装置は、複数の座標検出点から仮定平面を求めこの仮定平面と基準軸との交点を仮定中心点とし、この仮定中心点を使用した演算で算出回転軸を求めている。幾何学上では少なくとも３個の座標検出点のみで平面ならびに回転中心を特定することが可能であるが、地磁気ベクトルを検出する座標検出点はノイズが重畳しやすく、また回転軌跡の半径が短い場合には演算に使用するベクトルの絶対値が小さくなって、実際の回転平面に近い面を正確に演算することが難しい。【００１８】
これに対し、本発明は、基準軸上の仮定中心点から座標検出点までのベクトルを使用して面および法線を演算しているため、ノイズの比率を少なくでき、また回転軌跡の半径が短くても長いベクトルで外積などの演算ができるため、面と法線を正確に特定できるようになる。【００１９】
本発明は、前記仮定中心点から少なくとも２つの前記座標検出点に延びるベクトルの外積を演算して前記仮定平面の法線を求めることが好ましい。【００２０】
この場合も、前記法線と平行で且つ前記三次元座標の原点を通る軸を前記算出回転軸とすることが好ましい。【００２１】
第２の本発明においても、２つの前記座標検出点の前記算出回転軸に対する開き角度と、２つの前記座標位置を得た時間とから角速度が演算される。【００２２】
また、第２の本発明は、複数の前記座標検出点のデータを順番に保持する記憶部が設けられており、最新に保持されたデータから所定時間さかのぼった時点のデータを基準データとし、前記基準データよりも後の時刻に得られたデータから前記算出回転軸を求め、前記基準データおよびその前のデータあるいは後のデータまたは前後のデータから角速度が演算されるものが好ましい。【００２３】
上記のように角速度を算出する基準となるデータよりも時系列が後になるデータを使用することで、十分な数のデータから面や法線を演算でき、面や法線の特定精度を高めることができる。【００２４】
本発明は、三次元方向の加速度を検知する加速度センサが設けられ、前記磁気検知部が一定時間停止したときに前記加速度センサで重力の加速度の向きが検知され、その向きを基準として前記基準軸が決められるものが好ましい。【００２５】
ただし、装置が予め決められた軸を中心として回転する装置の場合は、加速度センサを使用せずに、予め基準軸を固定して設定してもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、直交する３軸方向に向けられたＸ軸センサとＹ軸センサおよびＺセンサを使用して、随時回転軸が変化するような複雑な運動を行ったときに、地磁気ベクトルを基準として各時点において回転中心軸を比較的高精度に特定できる。その結果、角速度などを正確に求めることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態の地磁気検知装置の回路ブロック図、
【図２】図１に示す地磁気検知装置に設けられた角速度演算部の機能を説明するブロック図、
【図３】データバッファの処理動作を示す説明図、
【図４】地磁気検知部に設けられたＸ軸センサとＹ軸センサおよびＺ軸センサの説明図、
【図５】地磁気ベクトルの演算動作を説明する三次元極座標の説明図、
【図６】第１の実施の形態の回転軸の演算手順を説明する説明図、
【図７】第１の実施の形態の回転軸の演算手順をさらに詳しく説明する説明図、
【図８】第１の実施の形態の回転軸の演算手順の利点を説明する説明図、
【図９】第１の実施の形態の回転軸の演算手順の課題を説明する説明図、
【図１０】前記課題を克服した第２の実施の形態の回転軸の演算手順を説明する説明図、
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１に示す本発明の実施の形態の地磁気検知装置１は、磁気検知部２を有している。図４に示すように、磁気検知部２は、互いに直交するｘ０軸とｙ０軸およびｚ０軸が決められている。ｘ０軸とｙ０軸およびｚ０軸の交点が、原点Ｏｇである。
【００２９】
磁気検知部２には、Ｘ軸センサ３とＹ軸センサ４およびＺ軸センサ５が搭載されている。図４に示すように、Ｘ軸センサ３はｘ０軸に沿って固定され、Ｙ軸センサ４はｙ０軸に沿って固定され、Ｚ軸センサはｚ０軸に沿って固定されている。
【００３０】
Ｘ軸センサ３とＹ軸センサ４およびＺ軸センサ５は、いずれもＧＭＲ素子で構成されている。ＧＭＲ素子は、Ｎｉ−Ｃｏ合金やＮｉ−Ｆｅ合金で形成された軟磁性材料で形成された固定磁性層および自由磁性層と、固定磁性層と自由磁性層との間に挟まれた銅などの非磁性導電層とを有している。固定磁性層の下に反強磁性層が積層され、反強磁性層と固定磁性層との反強結合により、固定磁性層の磁化が固定されている。
【００３１】
図４に示すように、Ｘ軸センサ３は、地磁気のＸ方向に向く磁界成分Ｂｘを検知するものであり、Ｘ方向でのプラス方向の磁界成分Ｂ＋ｘと、Ｘ方向でのマイナス方向の磁界成分Ｂ−ｘを検知できる。
【００３２】
Ｘ軸センサ３は、固定磁性層の磁化の向きがＸ軸に沿う方向であるＰｘ方向に固定されている。自由磁性層の磁化は地磁気の向きおよび大きさに倣って変化する。自由磁性層の磁化の向きが固定磁性層の固定磁化の向きであるＰｘ方向と平行になるとＸ軸センサ３の抵抗値が極小になり、自由磁性層の磁化の向きがＰｘ方向と逆向きになるとＸ軸センサ３の抵抗値が極大になる。また、自由磁性層の向きがＰｘ方向と直交すると、抵抗値が前記極大値と極小値との平均値となる。
【００３３】
図１に示す磁場データ検知部６では、Ｘ軸センサ３と固定抵抗とが直列に接続され、Ｘ軸センサ３と固定抵抗との直列回路に電圧が与えられており、Ｘ軸センサ３と固定抵抗との間の中点電圧がＸ軸の検知出力として取り出される。Ｘ軸センサ３に対して、Ｘ方向に向く磁場成分が与えられていないとき、またはＰｘに対して直交する磁場が与えられているときに、Ｘ軸の検知出力が原点となる。
【００３４】
磁気検知部２の全体を傾け、図４に示すｘ０軸を地磁気ベクトルに一致させ、Ｘ軸センサ３の固定磁性層の磁化の固定方向Ｐｘを地磁気ベクトルと同じ向きにするとＸ軸センサ３に与えられる磁界成分Ｂ＋ｘが最大となる。このときのＸ軸の検知出力が、前記原点に対してプラス側の最大値となる。逆に、図４に示すｘ０軸を地磁気ベクトルに一致させ、Ｘ軸センサ３の固定磁性層の磁化の固定方向Ｐｘを地磁気ベクトルと反対に向けると、Ｘ軸センサ３に与えられる磁界成分Ｂ−ｘが最大となる。このときのＸ軸の検知出力が、前記原点に対してマイナス側の最大値となる。
【００３５】
同様に、Ｙ軸センサ４に対してＰｙ方向の磁界成分Ｂｙが与えられていないとき、またはＰｙ方向と直交する磁場が与えられているときに、磁場データ検知部６から出力されるＹ軸の検知出力が原点となる。ｙ０軸を地磁気ベクトルに一致させ、地磁気ベクトルの向きを固定磁性層の磁化の固定方向Ｐｙに一致させると、Ｙ軸センサ４に与えられる磁界成分Ｂ＋ｙが最大になり、Ｙ軸の検知出力が原点に対してプラス側の最大値となる。地磁気ベクトルの向きを固定方向Ｐｙと逆向きにすると、Ｙ軸センサ４に与えられる磁界成分Ｂ−ｙが最大になり、Ｙ軸の検知出力が、原点に対してマイナス側の最大値となる。
【００３６】
また、Ｚ軸センサ５に対してＰｚ方向の磁界成分Ｂｚが与えられていないとき、またはＰｚ方向と直交する磁場が与えられているとき、磁場データ検知部６から出力されるＺ軸の検知出力が原点となる。ｚ０軸を地磁気ベクトルに一致させ、地磁気ベクトルの向きを固定磁性層の磁化の固定方向Ｐｚに一致させると、Ｚ軸センサ５に与えられる磁界成分Ｂ＋ｚが最大になり、Ｚ軸の検知出力が原点に対してプラス側の最大値となる。地磁気ベクトルの向きを固定方向Ｐｚと逆向きにすると、Ｚ軸センサ５に与えられる磁界成分Ｂ−ｙが最大になり、Ｚ軸の検知出力が、原点に対してマイナス側の最大値となる。
【００３７】
Ｘ軸センサ３とＹ軸センサ４およびＺ軸センサ５は、いずれもプラス側の検知出力の最大値の絶対値と、マイナス側の検知出力の絶対値とが同じである。
【００３８】
なお、Ｘ軸センサ３として、磁界成分Ｂ＋ｘによってプラス側の検知出力が得られ、磁界成分Ｂ−ｘによってマイナス側の検知出力が得られ、プラス側の検知出力の最大値とマイナス側の検知出力の最大値とで絶対値が同じになれば、ＧＭＲ素子以外の磁気センサで構成することができる。例えば、ｘ０軸に沿ってプラス側の磁界強度のみを検知できるホール素子またはＭＲ素子と、マイナス側の磁界強度のみを検知できるホール素子またはＭＲ素子を組み合わせて、Ｘ軸センサ３として使用してもよい。これは、Ｙ軸センサ４とＺ軸センサ５においても同じである。
【００３９】
図１に示すように、磁場データ検知部６で検知されたＸ軸とＹ軸およびＺ軸の検知出力は、演算部１０に与えられる。演算部１０は、Ａ／Ｄ変換部とＣＰＵおよびクロック回路などから構成されている。演算部１０のクロック回路の計測時間に応じて、磁場データ検知部６で検知されたＸ軸とＹ軸およびＺ軸の検知出力が短いサイクルで間欠的に演算部１０に読み出され、それぞれの検知出力は、演算部内に設けられた前記Ａ／Ｄ変換部によってディジタル値に変換される。
【００４０】
演算部１０は、基準軸設定演算部１０ａと角速度演算部１０ｂとして機能する。これら演算部は、いずれもプログラミングされたソフトウエアによって実行される。
【００４１】
演算部１０を構成するＣＰＵにはメモリ７が接続されている。メモリ７には、基準軸設定演算部１０ａと角速度演算部１０ｂのそれぞれの処理を行うソフトウエアがプログラミングされて格納されている。
【００４２】
図２に示すように、角速度演算部１０ｂでは、ソフトウエアで複数段階の処理が行われる。磁場データ検知部６から、Ｘ軸の検知出力とＹ軸の検知出力およびＺ軸の検知出力が、クロック回路と同期して短いサイクルで間欠的に読み出されると、これら検知出力はＡ／Ｄ変換部でディジタルデータに変換される。さらに、演算部１０内の演算処理によって、間欠的に読み出されたＸ軸の検知出力とＹ軸の検知出力およびＺ軸の検知出力が、図５に示す極座標上で地磁気ベクトルＢｇの座標検出点のデータに変換されて、図３に示すデータバッファ（バッファメモリ）１１に格納される。
【００４３】
クロック回路と同期して短いサイクルで読み出されて演算された前記座標検出点のデータは、図３に示すデータバッファ１１の格納部１１ａに与えられる。データが格納部１１ａに与えられる毎に、データが格納部１１ａから１１ｎまで順に送り出され、最終段の格納部１１ｎのデータが捨てられる。地磁気検知装置１が動作している間は、磁場データ検知部６から最新のデータが読み出され続け、データバッファ１１に順番に格納されていく。
【００４４】
図２に示す角速度演算部１０ｂのデータ選択処理１５は、データバッファ１１の格納部１１ａないし１１ｎに格納されている地磁気ベクトルＢｇの座標検出点を示す複数のデータのうちの、演算に必要なものを読み出す。読み出されたデータは、回転平面計算処理１２と回転軸計算処理１３に与えられる。回転平面計算処理１２および回転軸計算処理１３での演算結果が、角速度計算処理１４に送られて、その瞬間の角速度が継続的に演算される。
【００４５】
図１に示すように、地磁気検知装置１には加速度センサ８が設けられている。加速度センサ８は、ｘ０軸方向の加速度を検知するＸセンサと、ｙ０軸方向の加速度を検知するＹセンサと、ｚ０軸方向の加速度を検知するＺセンサとを有している。それぞれのセンサからの検知出力が、演算部１０内の基準軸設定演算部１０ａに与えられる。
【００４６】
基準軸設定演算部１０ａでは、加速度センサ８の各センサから得られる加速度の情報から、地磁気検知装置１の基準軸が決められる。基準軸の設定方法は、地磁気検知装置１の用途に応じてプログラムで決められる。
【００４７】
例えば、地磁気検知装置１を搭載した携帯機器を人が保持して野球のバットやゴルフクラブあるいはテニスラケットなどのスイングを行ってそのときの体の回転を診断するプログラムを実行するときには、加速度センサ８で検出された重力の加速度の方向が基準軸として設定される。また、地磁気検知装置１を搭載しているカメラの手ぶれを補正するためのデータを取得するときは、加速度センサ８で検出された重力の加速度の方向と直交する方向に基準軸を設定する。
【００４８】
体の回転を診断するプログラムにおいて基準軸の設定を行うときは、地磁気検知装置１を装備した携帯機器をランダムな向きで保持した人が所定時間停止していると判断したとき、すなわちプログラムが始動してから所定時間だけ磁気検知部２の検知出力の変化がしきい値を越えず、且つ加速度センサ８の検知出力の変化がしきい値を越えないと判断したときに、加速度センサ８で検知されている重力の加速度の方向を基準軸として設定する。
【００４９】
携帯機器はランダムな向きで保持されるため、基準軸は、地磁気検知装置１内で設定されているｘ０軸、ｙ０軸、ｚ０軸のいずれかと一致することもあるし、これら各軸とは全く別の向きに決められることもある。
【００５０】
カメラに地磁気検知装置１が搭載されている場合には、カメラが停止していると判断したときに、加速度センサ８から重力の加速度の向きを検出し、重力の加速度の向きと直交する方向に基準軸を決める。
【００５１】
なお、静止姿勢で使用するカメラなどのように使用時の姿勢がほぼ決められている機器の場合には、加速度センサ８を設けず、カメラの内部においてレンズの光軸方向を基準軸の固定値として予め設定しておいてもよい。
【００５２】
図５以下は、地磁気検知装置１を搭載した携帯機器を使用し、バットスイングの診断など体の回転の検出を行う場合を例にして説明する。また図５以下では、説明を容易にするために、加速度センサ８を使用して決められた基準軸が、地磁気検知装置１内のｚ０軸に一致していると仮定する。ただし、基準軸がｚ０軸と一致していない場合であっても以下で説明する演算処理は基本的に同じである。
【００５３】
図５に示す地磁気ベクトルＢｇは、Ｘ軸センサ３による検知出力ＸｇとＹ軸センサ４による検知出力ＹｇおよびＺ軸センサ５による検知出力Ｚｇから求められる。演算部１０では、Ｘ軸センサ３とＹ軸センサ４およびＺ軸センサ５の検知出力Ｘｇ，Ｙｇ，Ｚｇに基づき、三次元の極座標上において地磁気ベクトルＢｇの位置を示す座標検出点Ｓ（Ｒ，θ，φ）のデータに変換される。この変換処理は演算部１０内に格納された変換プログラムによって行われる。
【００５４】
図５の三次元の極座標に示されているパラメータθは、磁気検知部２のｚ０軸（基準軸）に対する地磁気ベクトルＢｇの伏角であり、φは、ｘ０軸に対する地磁気ベクトルＢｇの方位角である。
【００５５】
図４に示すＸ軸センサ３は、固定磁化の方向Ｐｘが地磁気に向けられたときにプラス側の検知出力が最大となるが、その絶対値を（Ｒ）とし、Ｐｘを地磁気と逆向きとしたときのマイナス側の検知出力の最大値の絶対値を（Ｒ）とする。同じくＹ軸センサ４およびＺ軸センサ５のプラス側の検知出力の最大値の絶対値と、マイナス側の検知出力の最大値の絶対値をともに（Ｒ）とすると、図５に示すように、三次元の極座標上において、地磁気ベクトルＢｇの絶対値をＲで表すことができる。そして、三次元の極座標の上において、地磁気ベクトルＢｇを表す座標検出点Ｓ（Ｒ，θ，φ）を、半径Ｒの球面座標Ｂｂ上の点として示すことができる。
【００５６】
地磁気検知装置１を基準軸であるｚ０軸を中心として回転させると、座標検出点Ｓは、ｚ０軸を中心として赤道線Ｈｇと平行な円弧軌跡Ｈａを周回する。ただし、人が地磁気検知装置１を保持して野球のバットやゴルフクラブあるいはテニスラケットなどのスイングを行ってそのときの体の回転を診断するプログラムを実行するときは、必ずしも座標検出点Ｓが基準軸であるｚ０軸を中心とする円弧軌跡を辿らない。
【００５７】
そこで、以下では、複数の座標検出点Ｓのデータから、刻々と変化する回転平面と回転軸とを算出する演算処理について説明する。この演算処理は図３に示す角速度演算部１０ｂでの回転平面計算処理１２と回転軸計算処理１３および角速度計算処理１４として行われる。
【００５８】
図６は、地磁気検知装置１を搭載した携帯機器が回転しているときに、データバッファ１１に格納される複数の座標検出点Ｓの極座標データを示している。地磁気検知装置１が回転する間、データＳａとデータＳｃとの間に多数のデータが存在しているが、図６では３個のデータＳａ，Ｓｂ，Ｓｃのみを代表させて示している。
【００５９】
回転平面計算処理１２では、データバッファ１１に格納されている座標検出点Ｓのデータのうちの２つのデータＳａとＳｃを抽出し、データＳａとデータＳｃを基準軸であるｚ０軸に投影した２つの点を求める。これは、データＳａとデータＳｃからｚ０軸に下ろした垂線とｚ０軸との２つの交点を求めることと同じである。この２つの交点を用いて、ｚ０軸上に仮想中心点Ｏｆを設定する。仮定中心点Ｏｆは、ｚ０軸上の２つの交点のうちのいずれか一方の点を選んで設定でき、または２つの交点の間のいずれかの点を選ぶことで設定できる。ただし、ｚ０軸上の２つの交点の中点を仮定中心点Ｏｆとして設定することが好ましい。なお、図５に示すように、地磁気検知装置１が基準軸であるｚ０軸を中心として回転しているときは、２つのデータＳａ，Ｓｃからｚ０軸に下ろした垂線が１点に集約されるため、この１点が仮定中心点Ｏｆとなる。
【００６０】
回転平面計算処理１２では、２つのデータＳａ，Ｓｃと仮定中心点Ｏｆを含む面を回転軌跡が存在している面であると仮定し、この面と垂直な垂線Ｖｇを求める。垂線Ｖｇの計算方法としては、仮定中心点ＯｆからデータＳａに向かうベクトルＶａと、仮定中心点ＯｆからデータＳｃに向かうベクトルＶｃとの外積（Ｖａ×Ｖｃ）を求める。この外積が、ベクトルＶａ，Ｖｃを含む面の垂線Ｖｇとなる。
【００６１】
図２に示す角速度演算部１０ｂの回転軸計算処理１３では、前記垂線Ｖｇと平行で球面座標Ｂｂの原点Ｏｇを通る軸を算出回転軸Ｉａとして求める。この算出回転軸ＩａとベクトルＶａ，Ｖｃを含む面との交点が算出回転中心Ｏｉであり、算出回転中心ＯｉとデータＳａとの距離Ｒａと、算出回転中心ＯｉとデータＳｃとの距離Ｒｃとが等しくなる（Ｒａ＝Ｒｃ）。
【００６２】
なお、回転軸計算処理１３において、データＳａとデータＳｂを結ぶ線分の垂直二等分線と、データＳｂとデータＳｃを結ぶ線分の垂直二等分線との交点を通り前記垂線Ｖｇと平行な軸を算出回転軸Ｉａとして求めることもできる。ただし、前記ベクトルＶａ，Ｖｃの外積を求め、その計算結果を垂線Ｖｇとし、Ｖｇと平行で球面座標Ｂｂの原点を通る軸を算出回転軸Ｉａとすることで、最少の計算で算出回転軸Ｉａを精度よく求めることが可能になる。
【００６３】
この演算により、データＳａ，Ｓｂ，Ｓｃが辿る回転軌跡Ｃａを求めることができ、地磁気検知装置１の姿勢や運動状態を把握できるようになる。
【００６４】
さらに、図２に示す角速度演算部１０ｂの角速度計算処理１４において、算出回転中心Ｏｉに対するベクトルＶａとベクトルＶｃの開き角度と、データＳａが得られた時刻とデータＳｃが得られた時刻の時間差とから、磁気検知装置１の運動の角速度を求めることができる。
【００６５】
上記の演算手法は、地磁気検知装置１が運動するときの回転軸が、予め決めた基準軸の向きに等しいかまたは基準軸から大きく傾くことがないという前提が存在する場合の演算において有効であり、基準軸を基準として計算することで、運動中の各時刻での回転軸を高精度に算出することができる。その結果、回転軸が速い速度で倒れていくような複雑な運動であっても、比較的正確に演算でき、実際の運動と極端に離れた計算結果が得られるのを防止しやすくなる。
【００６６】
図８は、地磁気検知装置１が回転し続け且つ回転軸が速い速度で倒れていくときの検出データを示している。これは、バットスイングまたはゴルフクラブのスイングあるいはテニスラケットのスイングなどの検証プログラムにおいて、バットなどを持って体をすばやく回転させると同時に体をすばやく傾けるようなときに発生する。
【００６７】
図８では、回転軸がＩ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４，Ｉ５のように急激に倒れていき、回転軸Ｉ１のときの回転軌跡はＣ１から回転軸Ｉ５のときの回転軌跡Ｃ５に至るまで、回転軌跡Ｃ１ないしＣ５がすばやく移動している。この場合に、それぞれの回転軌跡上に現れるデータが、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５の並びで球面座標Ｂｂ上に現れることがある。実際には、それぞれのデータＳ１ないしＳ５の前後に複数のデータが集中し、多数のデータが図８に示すＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５で形成される列に沿って並んでいるかのように現れる。
【００６８】
この場合に、基準軸を基準とした演算ではなく、データＳ１ないしＳ５のうちの少なくとも３点を選んで回転軌跡を演算すると、あたかもデータが図８に示す回転軌跡Ｃｘに沿って移動していると判断されて、そのときの回転軸が、本来の回転軸Ｉ１ないしＩ５から大きく外れて回転軌跡Ｃｘの中心として算出されるおそれがある。
【００６９】
これに対し、図６と図７に示したように、重力方向に向く軸を基準軸として決めておき、この基準軸上に仮定中心点Ｏｆを設定して回転軌跡が存在する面および回転軸を算出すると、データＳ１ないしＳ５が、回転軸Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４，Ｉ５回りの回転軌跡Ｃ１ないしＣ５上に位置するものとして算出できる。おしてデータＳ１ないしＳ５の前後に存在する複数のデータを使用して、各時点での回転軸Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４，Ｉ５回りの角速度を演算することが可能である。
【００７０】
ただし、図６および図７に示す回転軸の演算を行う場合においても、図９に示すように、座標検出点のデータＳａ，Ｓｂ，Ｓｃの回転軌跡Ｃｔの半径が小さく、且つ回転軌跡Ｃｔが基準軸であるｚ０軸から外れているような場合に、回転軌跡Ｃｔを正確に特定できず、角速度を正確に演算できないことが有り得る。
【００７１】
図９に示す例において、半径の小さい回転軌跡Ｃｔ上で得られる２つのデータＳａとＳｃを抽出し、図６と図７に示した演算と同様にして演算をおこなってみる。すなわち、基準軸であるｚ０軸上に仮定中心点Ｏｆを求め、ベクトルＶａとＶｃの外積で垂線Ｖｇ１を求め、垂線Ｖｇ１と平行で球面座標Ｂｂの原点Ｏｇを通る軸を算出回転軸Ｉｆとする。この演算では、算出回転軸Ｉｆが実際の回転軸Ｉｃと大きく離れた軸となり、演算された回転軌跡Ｃｆが実際の回転軌跡Ｃｔよりも大きくなってしまう。この演算を用いて角速度を求めると、その計算値は実際の角速度と大きく相違することになる。
【００７２】
図６と図７に示す演算手法は、地磁気検知装置１の回転軸が基準軸であるｚ０軸から極端に傾くことがないことを前提とした場合に有効とされる。実際にバットスイングやゴルフクラブのスイングあるいはテニスラケットのスイングなどの診断に使用されるときには、回転軸が極端に倒れたり、または回転軌跡が極端に小さくなることはほとんどなく、図９に示す現象が生じるのはきわめてまれである。よって、実際に使用する場合にはほとんど問題にならない。
【００７３】
しかし、図１０に示す第２の実施の形態の演算手法を実施すると、図６と図７に示す演算に比べて演算量が多くはなるが、回転平面と回転軸を演算する精度をさらに高めることができ、図９に示すような現象においても回転軌跡や回転軸を高精度に求めることが可能になる。
【００７４】
図１０に示す演算手法は、図２に示す角速度演算部１０ｂの回転平面計算処理１２において、図３に示すデータバッファ１１から複数のデータＳａ，Ｓｂ，Ｓｃ，・・・を抽出し、これらデータのうちの少なくとも３個のデータを用いて、その３個のデータが存在している仮定平面Ｐを算出する。この仮定平面Ｐと基準軸であるｚ０軸との交点を仮定中心点Ｐｃとする。
【００７５】
その後は、図６と図７に示した演算と同様に、仮定中心点ＰｃからデータＳａまでのベクトルＶａと、仮定中心点ＰｃからデータＳｃまでのベクトルＶｃとの外積から、仮定中心点Ｐｃを通る垂線Ｖｇ２が求められる。この垂線Ｖｇ２と平行で且つ球面座標Ｂｂの原点Ｏｇを通る軸が算出回転軸Ｉｃである。正しい算出回転軸Ｉｃを求めることで、データＳａ，Ｓｃから角速度を正確に演算することが可能になる。
【００７６】
図１０に示す演算手法では、少なくとも３個のデータから仮定平面Ｐを求めることで、図９に示したように、誤った回転軸が算出されるのを防止でき、高精度な演算が可能になる。
【００７７】
なお、図１０に示すデータＳａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄ，・・・のうちの少なくとも３個のデータを使用して最少二乗法などの演算を行えば、そのデータを含む回転軌跡Ｃｔを演算できるはずである。しかし、地磁気ベクトルの大きさは微小であるため、データにノイズが重畳しやすく、半径の小さい回転軌跡Ｃｔを演算で正確に求めるのは難しく、さらには図８に示すように回転軸がすばやく傾いていくような運動が生じている場合に、変化する回転軸の回りの小径の回転軌跡Ｃｔを正確に特定するのが難しい。
【００７８】
これに対し、図１０に示すように、仮定平面Ｐと基準軸であるｚ０軸との交点を仮定中心点Ｐｃとすることで、計算に使用するベクトルＶａ，Ｖｃを大きくでき、ノイズの影響を大きく受けることなく外積の演算結果を得ることができる。よって、垂線Ｖｇ２の向きを精度良く特定でき、算出回転軸Ｉｃの算出精度を高くできる。
【００７９】
次に、図１０に示すように、データＳａを基準として回転軌跡Ｃｔを特定して角速度を演算するためには、データＳａよりも時間的に後に得られるデータＳｂ，Ｓｃ，Ｓｄ，・・・を使用して仮定平面Ｐを求めることが必要である。そこで、図３（Ｂ）に示すように、データバッファ１１に順番に格納されていくデータのうちの最新のデータのみで演算を行うのではなく、最新のデータから所定時間さかのぼった時刻に格納されたデータを基準データ（図１０のデータＳａ）とし、その後のデータを演算用データ（図１０のＳｂ，Ｓｃ，Ｓｄ，・・・）として使用して図１０に示す仮定平面Ｐを演算する。
【００８０】
基準データよりも時間的に後に得られて格納されていた複数のデータを演算用データとして使用することにより、図８に示すように、回転軸が徐々に倒れたり、軌跡の回転方向が大きく変化するような運動に対しても、その動きに追従した演算を行いやすくなる。
【符号の説明】
【００８１】
１  地磁気検知装置
２  磁気検知部
３  Ｘ軸センサ
４  Ｙ軸センサ
５  Ｚ軸センサ
６  磁場データ検知部
７  メモリ
１０  演算部
１０ａ  方位演算部
１０ｂ  角速度演算部
１０ｃ  角加速度演算部
１１  データバッファ
１２  回転平面計算処理
１３  回転軸計算処理
１４  角速度計算処理
１５  データ選択処理
Ｂｂ  球面座標
Ｂｇ  地磁気ベクトル
Ｃａ，Ｃｂ，Ｃ１〜Ｃ５  回転軌跡
Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓ１〜Ｓ５  座標検出点のデータ
Ｖａ，Ｖｃ  ベクトル
Ｖｇ，Ｖｇ１，Ｖｇ２  垂線
Ｉａ，Ｉｃ  算出回転軸
Ｏｆ，Ｐｃ  仮定中心点
ｚ０  基準軸
【図１】
2011037118.tif 000003
【図２】
2011037118.tif 000004
【図３】
2011037118.tif 000005
【図４】
2011037118.tif 000006
【図５】
2011037118.tif 000007
【図６】
2011037118.tif 000008
【図７】
2011037118.tif 000009
【図８】
2011037118.tif 000010
【図９】
2011037118.tif 000011
【図１０】
2011037118.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成24年7月20日(2012.7.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気検知部と演算部とを有し、前記磁気検知部に、互いに直交するＸ軸とＹ軸およびＺ軸に向くＸ軸センサとＹ軸センサおよびＺ軸センサが設けられ、前記磁気検知部が、前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサの直交関係を維持しながら三次元方向へ回動自在である地磁気検知装置において、
前記演算部では、Ｘ−Ｙ−Ｚの三次元座標内に位置する基準軸を決定するとともに、前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサの検知出力に基づいて、前記三次元座標上で地磁気ベクトルの座標検出点を演算し、
前記磁気検知部が回転したときに、少なくとも２個の前記座標検出点を前記基準軸に投影した２つの点の一方または２つの点の間の任意の点を基準軸上の仮定中心点とし、２個の前記座標検出点と前記仮定中心点とを含む面に直交し且つ前記三次元座標の原点を通る軸を算出回転軸として求め、前記算出回転軸回りの円運動を特定することを特徴とする地磁気検知装置。
【請求項２】
２つの前記座標検出点の前記算出回転軸に対する開き角度と、２つの前記座標検出点を得た時間とから角速度が演算される請求項１記載の地磁気検知装置。
【請求項３】
前記基準軸に投影した２つの点の中点を前記仮定中心点とする請求項１または２記載の地磁気検知装置。
【請求項４】
前記仮定中心点から少なくとも２つの前記座標検出点に延びるベクトルの外積を演算して前記面の法線を求め、前記法線に平行で且つ前記三次元座標の原点を通る軸を前記算出回転軸とする請求項１ないし３のいずれかに記載の地磁気検知装置。
【請求項５】
三次元方向の加速度を検知する加速度センサが設けられ、前記磁気検知部が一定時間停止したときに前記加速度センサで重力の加速度の向きが検知され、その向きを基準として前記基準軸が決められる請求項１ないし４のいずれかに記載の地磁気検知装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明は、磁気検知部と演算部とを有し、前記磁気検知部に、互いに直交するＸ軸とＹ軸およびＺ軸に向くＸ軸センサとＹ軸センサおよびＺ軸センサが設けられ、前記磁気検知部が、前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサの直交関係を維持しながら三次元方向へ回動自在である地磁気検知装置において、
前記演算部では、Ｘ−Ｙ−Ｚの三次元座標内に位置する基準軸を決定するとともに、前記Ｘ軸センサと前記Ｙ軸センサおよび前記Ｚ軸センサの検知出力に基づいて、前記三次元座標上で地磁気ベクトルの座標検出点を演算し、
前記磁気検知部が回転したときに、少なくとも２個の前記座標検出点を前記基準軸に投影した２つの点の一方または２つの点の間の任意の点を基準軸上の仮定中心点とし、２個の前記座標検出点と前記仮定中心点とを含む面に直交し且つ前記三次元座標の原点を通る軸を算出回転軸として求め、前記算出回転軸回りの円運動を特定することを特徴とするものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
2011037118.tif 000013
2011037118.tif 000014
2011037118.tif 000015
2011037118.tif 000016
2011037118.tif 000017
2011037118.tif 000018